GPS定位替代系統的FPGA實現

　　概述：本文在分析目前使用的GPS定位系統的基礎上，探討了一種替代系統，系統通過接收不同城市廣播電臺的發出的報時信號，算出這些地方距離定位設備所在地的距離，進而確定本地的確切地理位置，設計了系統的FPGA實現。

　　1 引言

　　全球衛星導航定位系統GPS(Global Positioning System)作為一門新興的信息通訊技術，已被廣泛應用在飛機船艦的導航、高精度測量、農業監控、車輛定位等領域。現有的衛星定位系統主要是美國的GPS和俄羅斯的GLONASS等系統；歐洲擬建的伽利略系統將是世界上第一個完全向民用開放的全球性衛星定位系統；中國的北斗衛星導航定位系統由2000年、2003年發射的3顆北斗衛星組成，作為一個區域性的定位系統,僅能滿足當前陸、海、空運輸導航定位的需求，在覆蓋范圍及用戶數量等方面受到一定的限制。目前,我國衛星導航定位設備的設計基本是以美國進口的GPS接收機為基礎，公安部門使用的車載衛星定位系統，由于僅局限于在車上使用而缺乏一定的靈活性；因此,研制新型的便攜式集群手持衛星定位設備取代現有的車載定位設備成為定位系統發展的必然。；

　　2 GPS系統的特點

　　最早的衛星定位系統是美國的子午儀系統，1964年正式投入使用。由于該系統衛星數目較小(5-6顆)，運行高度較低(平均1000KM)。為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航的要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。GPS實施計劃共分三個階段：第一階段從1973年到1979年，發射了4顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網；第二階段從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機；第三階段為實用組網階段，從19*2月4日到1993年底 GPS網即(21+3)GPS星座建成。整個GPS系統由三部分組成：

　　（1）GPS衛星星座

　　由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，記作(21+3)GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。對于地面觀測者來說，位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同，最少可見4顆，最多可見11顆。在用GPS信號導航定位時，為了計算觀測站的三維坐標，必須觀測4顆GPS衛星，稱為定位星座。

　　（2）地面監控系統

　　GPS衛星是一動態已知點，星的位置是依據衛星運動及其軌道的參數計算。每顆GPS衛星所播發的星歷，是由地面監控系統提供的。地面監控系統一個重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準。這就需要地面站監測各顆衛星的時間求出鐘差，然后由地面站發給衛星，衛星再經由導航電文發給用戶設備。

　　（3）GPS信號接收機

　　GPS信號接收機的任務是能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置、速度和時間。

　　3 GPS定位原理

　　GPS定位的基本原理是根據運動衛星瞬間位置作為已知的起算數據，利用空間距離確定待測地點的位置。如圖1所示，假設t時刻在地面待測地點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的其它數據可以確定以下四個方程式：

　　圖1 定位系統原理圖

　　假設其中(x1，y1，z1)代表北京的具體位置坐標，(x2，y2，z2)代表上海的位置坐標；(x3，y3，z3)代表武漢的位置坐標，(x, y, z)表示接收機所在地的位置坐標，也就是我們要計算的數據。設C為傳播速度，Δt1,Δt2,Δt3 分別為信號從北京、上海和武漢傳送到接收機花費的時間，經過FPGA芯片的運算，即可得出所要得到的本地位置坐標。

　　5 替代系統的FPGA實現

　　FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA 的核心部分是邏輯單元陣列(LCA -LogicCell Array)；LCA 的主體部分是由相同的可編程邏輯模塊(CLB) 構成的矩陣，每個LCA 含有可編程的組合邏輯和寄存器，LCA通過內部的可編程布線通道的內部互連網絡，把邏輯晶體管按設計要求連接在一起以綜合陣列中的邏輯功能。這些功能和互連是由存儲在單片存儲器(EEPROM)中的可配置程序控制。LCA 的配置文件由這些存儲器自動裝入或由微處理器將其作芯片初始化的一部分進行初始定義。FPGA 芯片邏輯功能的配置基于內部陣列分布的SRAM，即通過對分布的SRAM 的不同的加電配置來決定各個部分的邏輯定義。FPGA 由五部分組成：

　　1) 輸出塊(IOBs)：提供封裝腿與CLB 之間的接口它支持多種IO 接口信號標準；

　　2) 配置邏輯塊(CLBs)：提供構造邏輯的功能元件；

　　3) 多個4K的專用塊RAM；

　　4) DLL：共4個位于片子四個角,用于時鐘分布延時補償和時鐘域控制；

　　5) 三態緩沖器,將驅動專用分段水平布線資源。

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　　本設計主要包括輸入、輸出，子模塊黑盒子(Black Box)聲明，以及子模塊之間的連接關系，子模塊間的接口以及子模塊與頂層模塊的接口，設計所做的實驗是基于Quartus II，它是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發環境 MAX+plusII 的更新換代產品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便的進行設計輸入、快速處理和器件編程。由于FPGA的原理、編程和使用方法已經有大量的文章論述了，本文不在此進一步解釋程序中的編程。從結構上講，本設計的整個定位系統總共由3部分組成， 它們分別是：功能控制鍵輸入系統，3個無線電收音機報時接收器的并行輸入系統，計算部分和顯示部分。系統的結構框圖如圖2所示。每一個地方發送過來的信號的頻率都是不一樣的，所以系統根據設置不同的頻率接收不同的電臺報時。本設計中規定來自北京的接收信號1，來自上海的接收信號2，而來自武漢的接收信號3。在所需要的信號接受完后，經過FPGA芯片系統對接收信號時間間隔的運算，可以計算出設備所在地的具體位置，這個位置在顯示部分顯示出來，按鍵的作用是控制輸入信號接受器和啟動計算并顯示。

　　6 結論

　　本文在分析目前使用的GPS定位系統的基礎上，探討了通過接收不同城市廣播電臺的同時發出的報時信號，算出這三個地方距離定位設備所在地的距離，進而確定本地的確切地理位置。設計了系統的FPGA實現,本系統可以作為廉價的汽車定位系統嵌入到汽車的FPGA或單片機控制系統中。